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内容摘要

PCIe传输层作为NVMe最直接的服务者，不管你NVMe发给我的是命令，还是命令状态，还是用户数据，我统统帮你放进包裹，打包后交给下一层。

TLP 类型

1. Configuration Read/Write

1. I/O Read/Write

1. Memory Read/write

1. Message

1. Completion

NVMe命令处理流程

前言

今天我又把这张图搬出来了。没错，它是《蛋蛋读NVMe之一》里面的第一张图。任何一种计算机协议，它都是采用这种分层结构的。下层总是为上层服务的。有些协议，上图所有的层次都有定义和实现，而有些协议，只定义了其中的几层。然而，要让一种协议能工作，它需要一个完整的协议栈，PCIe定义了下三层，NVMe定义了最上层，两者一拍即合，构成一个完整的Host与SSD通讯的协议。

PCIe与NVMe最直接接触的是传输层。在NVMe层，我们能看到的是64字节的命令，16字节的命令返回状态，以及跟命令相关的数据。而在PCIe的传输层，我们能看到的是TLP （Transaction Layer Packet）。还是跟快递做类比，你要寄东西，可能是手机，可能是电脑，不管是什么，你交给快递小哥，他总是把你要寄的东西打包，快递员看到的就是包裹，他根本不关心你里面的内容。PCIe传输层作为NVMe最直接的服务者，不管你NVMe发给我的是命令，还是命令状态，还是用户数据，我统统帮你放进包裹，打包后交给下一层，让数据链路层继续处理。

今天不打算深入讲解PCIe，这又是一个大的话题。SSD FANS可能后续会推出类似NVMe系列文章，来个PCIe系列的，大家可以期待一下。对PCIe，我们今天只关注传输层，因为它跟NVMe接触是最直接最亲密的。PCIe传输层传输的是TLP，它就是个包裹，一般由包头和数据组成，当然也有可能只有包头没有数据。NVMe传下来的数据都是放在TLP的数据部分的（Payload）。为实现不同的目的，TLP可分为以下几种类型：

1. Configuration Read/Write

1. I/O Read/Write

1. Memory Read/write

1. Message

1. Completion

注意，这个Completion跟NVMe层的Completion不是同一个东西，他们处在不同层。在NVMe命令处理过程中，PCIe传输层基本只用Memory read/write TLP来为NVMe服务，其他TLP我们不用管。

Host发送一个Read命令，PCIe是怎么服务的？今天主要目的，就是结合NVMe命令处理流程，蛋蛋带着大家把下面这张图看懂，看看NVMe和PCIe的传输层发生了什么。

我靠，密密麻麻的，什么鬼东西？别急，蛋蛋带你一步一步把它看懂。

首先，Host准备了一个Read命令给SSD：

也许你对NVMe Read命令格式不是很清楚，说实话，我也不清楚，但从上图，我们还是能得到下面的信息： Host需要从起始LBA 0x20E0448(SLBA)上读取128个DWORD (512字节)的数据，读到哪里去呢？PRP1给出内存地址是0x14ACCB000。这个命令放在编号为3的SQ里 (SQID = 3)，CQ编号也是3 (CQID = 3)。我觉得知道这些就够了。相信看了蛋蛋读NVMe系列的，刚才说的这些都应该能懂。

当Host把一个命令准备好放到SQ后，接下来步骤是什么呢？回想一下NVMe命令处理的八个步骤。

第二步就是：Host通过写SQ的Tail DB，通知SSD来取命令。

上图中，上层是NVMe层，下层是PCIe的传输层，这一层我们看到的是TLP。Host想往SQ Tail DB中写入的值是5。PCIe是通过一个Memory Write TLP来实现Host写CQ的Tail DB的。

一个Host，下面可能连接着若干个Endpoint，该SSD只是其中的一个Endpoint而已，那有个问题，Host怎么能准确更新该SSD Controller中的Tail DB寄存器呢？怎么寻址？其实，在上电的过程中，每个Endpoint的内部空间都会通过内存映射(memory map)的方式映射到Host的内存中，SSD Controller当中的寄存器会被映射到Host的内存，当然也包括 Tail DB寄存器。Host在用Memory Write写的时候，Address只需设置该寄存器在Host内存中映射的地址，就能准确写入到该寄存器。以上图为例，该Tail DB寄存器应该映射在Host内存地址F7C11018，所以Host写DB，只需指定这个物理地址，就能准确无误的写入到对应的寄存器中去。应该注意的是：Host并不是往自己内存的那个物理地址写入东西，而是用那个物理地址作为寻址用，往SSD方向写。否则就太神奇了，往自己内存写东西就能改变SSD中的寄存器值，那不是量子效应吗？我们的东西还没有那么玄乎。

NVMe处理命令的第三步：SSD收到通知，去Host端的SQ中取指。

PCIe是通过发一个Memory Read TLP到Host的SQ中取指的。可以看到，PCIe需要往Host内存中读取16个DWORD的数据。为什么是16 DWORD数据，因为每个NVMe命令的大小是64个字节。从上图中，我们可以推断SQ 3当前的Head指向的内存地址是0x101A41100？怎么推断来的？因为SSD总是从Host 的SQ的Head取指的，而上图中，Address就是0x101A41100，所以我们有此推断。

在上图中，SSD往Host发送了一个Memory Read的请求，Host通过Completion的方式把命令数据返回给SSD。和前面的Memory Write不同，Memory Read中是不含数据，只是个请求，数据的传输需要对方发个Completion。像这种需要对方返回状态的TLP请求，我们叫它Non-Posted请求。怎么理解呢？Post，有”邮政”的意思，就像你寄信一样，你往邮箱中一扔，对方能不能收到，就看快递员的素养了，反正你是把信发出去了。像Memory Write这种，就是Posted请求，数据传给对方，至于对方有没有处理，我们不在乎；而像Memory Read这种请求，它就必须是Non-Posted了，因为如果对方不响应（不返回数据）给我，Memory Read就是失败的。所以，每个Memory read请求都有相应的Completion。

NVMe处理命令的第四步：SSD执行读命令，把数据从闪存中读到缓存中，然后把数据传给Host。数据从闪存中读到缓存中，这个是SSD内部的操作，跟PCIe和NVMe没有任何关系，因此，我们捕捉不到SSD的这个行为。我们在PCIe接口上，我们只能捕捉到SSD把数据传给Host的过程。

从上图中可以看出，SSD是通过Memory write TLP 把Host命令所需的128个DWORD数据写入到Host命令所要求的内存中去。SSD每次写入32个DWORD，一共写了4次。正如之前所说，我们没有看到Completion，合理。

SSD一旦把数据返回给Host，SSD认为命令以及处理完毕，第五步就是：SSD往Host的CQ中返回状态。

从上图中可以看出，SSD是通过Memory write TLP 把16个字节的命令完成状态信息写入到Host的CQ中。

SSD往Host的CQ中写入后，第六步就是：SSD采用中断的方式告诉Host去处理CQ。

SSD中断Host，NVMe/PCIe有四种方式：Pin-based interrupt, single message MSI,multiple message MSI,和MSI-X。关于中断，具体的可以参看spec 第171页，有详细介绍，有兴趣的可以去看看。从上图中，这个例子中使用的是MSI-X中断方式。跟传统的中断不一样，它不是通过硬件引脚的方式，而是把中断信息和正常的数据信息一样，PCIe打包把中断信息告知Host。上图告诉我们，SSD还是通过Memory Write TLP把中断信息告知Host，这个中断信息长度是1DWORD。

Host收到中断后，第七步就是：Host处理相应的CQ。这步是在Host端内部发生的事情，在PCIe线上我们捕捉不到这个处理过程。

最后一步，Host处理完相应的CQ后，需要更新SSD端的CQ Head DB,告知SSD CQ处理完毕。

跟前面一样，Host还是通过Memory Write TLP更新SSD端的CQ Head DB。

从我们抓的PCIe trace（感谢山哥提供！！除此之外，在整个NVMe系列的写作过程中，经常向山哥取经，在这深表感谢，感谢无私的帮助与解惑！）上，我们从PCIe的传输层看到了一个NVMe Read命令是怎么处理的，看到传输层基本都是通过Memory Write和Memory Read TLP传输NVMe命令、数据和状态等信息；我们确实也看到了NVMe命令处理的八个步骤，蛋蛋没有欺骗大家。

上面举的是NVMe读命令处理，其他命令处理过程其实差不多，就不凑篇幅了。

最后，我再贴出完整Trace，相信，也希望大家不会再有一团乱麻的感觉。